Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

Четвертый компонент— шум диэлектрических потерь, рас­ смотренный выше.

Так как ток затвора /у при охлаждении уменьшается, а кру­ тизна 5 увеличивается, то существует оптимальная температу­ ра, при которой шумовой вклад полевого транзистора будет минимальным. При охлаждении до 100— 130 К шум уменьша­ ется в 2—3 раза по сравнению с нормальными условиями. Не исключено, что это обусловлено также и уменьшением шума диэлектрических потерь. На рис. 2.7 приведены результаты из­

полевых транзисторов характеризуются уровнем шума A£Si< <100 эВ [42]. Некоторые вопросы, касающиеся технологии из­ готовления керамических корпусов и их конструктивных осо­ бенностей, рассмотрены в работе [43].

Микрофонный шум. Микрофонный шум органически не свя­ зан с процессом усиления сигналов, но он может быть источни­ ком, ухудшающим разрешающую способность спектрометров. Особую опасность представляют элементы и провода, находя­ щиеся под высоким напряжением. Их паразитная связь с вход­ ной цепью Ссв приводит к появлению индуцированного заряда (2=НдСсв. Изменение Ссв при вибрациях вызвано «бульканием» кипящего азота и посторонними шумами рабочего помещения. Например, если t/д = 1 000 В, то даже изменение Ссв на 10- 8 пФ приводит к появлению индуцированного заряда 10- 1 7 Кл, что приблизительно на два порядка больше заряда электрона. Спектр микрофонного шума расположен в низкочастотной об­ ласти (единицы герц) и влияние этого компонента можно эф­ фективно ослабить последующими фильтрами.

Значения шумовых параметров основных источников шума рассмотренных выше элементов (ППД, резистора Rf, полевого

83-

транзистора) приведены в табл. 2 .1 , в последнем столбце таб­ лицы даны формулы для расчета парциальных вкладов отдель­

эквивалентом шума при изменении входной емкости. Величина этого параметра зависит от относительного вклада источников последовательного шума в полную ширину линии, что в свою ■очередь определяется крутизной входного элемента и свойства­ ми формирующих цепей. Существенного уменьшения наклона шумовой характеристики можно достичь, используя параллель­ ное включение 2—3—4 полевых транзисторов, т. е. увеличивая крутизну входного элемента в 2—3—4 раза. При этом, однако, возрастает значение ДЕ для нулевой внешней емкости. Так как в спектрометрах с высокой разрешающей способностью емкость детекторов не превышает десятка ппкофарад, то наилучшие результаты получаются с одним полевым транзистором.

Следует иметь в виду, что шум предусилителя зависит от конструктивного расположения отдельных компонентов во вход­ ной цепи головного каскада, примененных диэлектрических ма­ териалов п т. п. Как правило, необходим тщательный отбор ис­ пользуемых элементов, прежде чем будет достигнуто высокое энергетическое разрешение. Для иллюстрации ниже приводятся данные [43], показывающие относительный вклад в шумовую ширину аппаратурной линии лучших из доступных в настоя­ щее время компонентов.

Наибольшее распространение в головных каскадах низко- ■щумящих предусилителей получили кремниевые полевые тран­ зисторы с каналом п-типа. Имеются работы, в которых были исследованы возможности германиевых полевых приборов [44—47]; наилучший результат составляет A£Ge=280 эВ при крутизне шумовой характеристики 18 эВ/пФ [44]. Однако при этом требуется охладить триод головного каскада до 4,2 К. Конструкция криостата в подобных системах значительно усложнена, так как необходимо применять жидкий гелий для охлаждения, и эксплуатировать такой спектрометр в производ­ ственных условиях чрезвычайно трудно. Поэтому в настоящее время в спектрометрах с ППД применяют кремниевые полевые транзисторы, параметры которых позволяют получить лучшее энергетическое разрешение, чем германиевые трганзпсторы, ра­ ботающие при температуре 4,2 К-

-84

§ 2.4. О П Т И М И З А Ц И Я О Т Н О Ш Е Н И Я С И Г Н А Л /Ш У М

Электронное оборудование, используемое в усилительном тракте спектрометров с ППД, должно обеспечивать высокое „ энергетическое разрешение. Частично эту задачу можно решить, применяя специальные предусилители (см. § 2.2 н 2.3). Однако ■существует предел уменьшения собственного шума электронных устройств и, что еще более важно, информация, поступающая на вход предусилителей, уже искажена шумами, обусловленны-

Pnc. 2.8. Передаточная H (s) и операторная P(s) функции линейных цепей.

ми физическими процессами в самом детекторе. Поэтому не менее важно применять для последующего усиления и преобра­ зования сигналов ППД устройства, обеспечивающие макси­ мально возможное в практических задачах отношение сигнал/шум.

При анализе характеристик предусилителя было использо­ вано понятие передаточной функции. Свойства передаточной функции и импульсной характеристики позволяют однозначно ■определить параметры устройств, преобразующих сигнал детек­ тора, и их необходимо рассмотреть более подробно.

Импульсная характеристика h(t) (рис. 2.8) есть зависимость, ■связывающая реакцию цепи r(t), которой соответствует изо­ бражение Лапласа R(s), с входным сигналом e(t), имеющим изображение Е (s ):

[в дальнейшем соответствие оригинала и изображения функ­ ции будут обозначаться символом например, /•(/')^^(s)].

85

Линейные цепи характеризуются тем, что реакция цепи Rx (s) на входные сигналы е,-(/) есть сумма частных решении

важную роль при исследовании линейных цепей и связаны за­ висимостью p(t) = j h(t)dt.

В дальнейшем под передаточной функцией Я (s) мы будем, понимать изображение импульсной характеристики Я (s)+±h(t). Изображение реакции p(t) называют операторной функцией P(s)+±p(t), причем передаточная и операторная функции свя­ заны зависимостью P(s) = Н (s)/s.

Еще одно замечание относится к связи передаточной функ­ ции Я (s) и Фурье-изображения импульсной характеристики Я(/о>). Согласно определению изображения Лапласа

где D — контур, не содержащий особых точек функции Я (s) справа от оси Осо. В установившемся режиме синусоидальных колебаний, когда па входе и выходе действуют сигналы с оди­ наковой частотой, оператор s = a + j 10 становится равным s = = j со. Подставляя это значение в (2.11), имеем

что является одной из форм записи интеграла Фурье. Следо­ вательно, Фурье-изображение Я (jco) получается при замене пе­ ременной передаточной функции s оператором /со.

В общем случае передаточную функцию Я (s) можно запи­ сать в виде

где 2 ; и pi — нули и полюса передаточной функции соответст­ венно. Так, например, передаточные функции дифференцирую­ щего и интегрирующего фильтров имеют полюс в точке s = = ■—1 /т, а дифференцирующего— нуль в точке s = 0 .

86

Используя свойства импульсной характеристики и передаточ­ ной функции, рассмотрим характеристики «идеального» фор­ мирователя, имеющего наивысшее теоретически возможное зна­ чение сигнал/шум. Так как шумы типа l/f ослабляются сущест­

Физическая мощность шума Ц7ш(со) равна половине математи­ ческой мощности:

87